• تاریخ : ۱۹ام تیر ۱۳۹۶
  • موضوع : دیگر

تصور کنید که با سرعت ۱۰۰ کیلومتربرساعت با خودروی خود به دیواری آجری برخورد کنید. مسلماً بدنه‌ی فلزی خودرو شدیداً آسیب می‌بیند و شیشه‌ی جلوی خودرو نیز خرد می‌شود و ایربگ‌ها باز می‌شوند؛ اما حتی با داشتن چنین امکانات ایمنی که ما در خودروهای مدرن داریم از این برخورد می‌توان به‌عنوان تصادفی سخت یادکرد. خودروها برای حرکت در دیواری آجری طراحی نشده‌اند؛ اما دیوار دیگری وجود دارد که خودروها از بدو ورودی برای حرکت در آن طراحی‌شده‌اند؛ دیواری از هوا که در برابر حرکت خودرو در سرعت‌های بالا از خود مقاومت نشان می‌دهد.

در سرعت‌های پایین و هنگامی‌که باد چندانی نمی‌وزد، بسیار دشوار می‌توان به تعامل هوا و وسایل نقلیه پی برد؛ اما در سرعت‌های بالا و در هنگام وزش باد، مقاومت هوا که بر وسیله‌ای که در آن حرکت می‌کند وارد می‌شود و آن را به‌عنوان نیروی درگ می‌شناسند، تأثیر بسیاری بر شتاب‌گیری خودرو، کنترل آن و مصرف سوخت خواهد داشت.

مقاله‌های مرتبط:

در این مرحله اســت که دانش آیرودینامیک وارد عمل می‌شود. آیرودینامیک می‌تواند دانش مطالعه‌ی نیروها و نتایج حاصل از حرکت اجسام در هوا دانست. برای چندین دهه اســت که خودروها با دیدگاه آیرودینامیکی طراحی می‌شوند و خودروسازان با به‌کارگیری نوآوری‌های متعدد، حرکت خودرو از میان این دیوار هوایی را آسان‌تر کرده‌اند؛ به‌خصوص در طراحی‌هایی که جریان هوا از قسمت‌های مختلف خودرو عبوری می‌کند، مقاومت هوا در شتاب گیری وسیله کمتر می‌شود که درنتیجه مصرف سوخت نیز بهبود می‌یابد، زیرا موتور در شرایط عملکردی مناسب‌تری فعالیت می‌کند و دیگر نیازی نیست تا با حداکثر توان به تولید نیرو لازم برای حرکت خودرو بپردازد.

مهندسان برای رسیدن به چنین نتایجی، طریقه‌های بسیاری را توسعه دادند؛ به‌عنوان‌مثال طراحی کروی‌تر خودروها و ادوات خارجی آن سبب می‌شود تا مقاومت هوای عبوری به کمترین مقدار خود برسد؛ در خودروهای با عملکرد بالاتر حتی بخش‌هایی برای عبور هوا از بخش زیرین خودرو تعبیه‌شده اســت. همچنین در پاره‌ای از خودروها از اسپویلر (بالچه‌ی عقب) برای از بین بردن نیروی لیفت وارد بر خودرو که باعث ناپایداری آن در سرعت‌های بالا می‌شود، اســتفاده می‌کنند.

دانش آیرودینامیک

قبل از پرداختن به این موضوع که آیرودینامیک چگونه به‌صورت کاربردی در خودروها اعمال می‌شود، به بیان فیزیکی این علم می‌پردازیم.

با حرکت کردن هر جسمی در اتمسفر، ذرات هوای اطراف آن جابجا می‌شوند؛ این اتفاق تحت تأثیر نیروی جاذبه و درگ رخ می‌دهد. هنگامی‌که یک جسم صلب درون یک جسم مایع مانند آب یا هوا عبور می‌کند، نیروی درگ به وجود می‌آید. این نیرو با سرعت جسم متناسب اســت و با افزایش سرعت مقدار آن نیز افزایش می‌یابد.

برای اندازه‌گیری حرکت اجسام از قوانین نیوتن اســتفاده می‌شود؛ در این قوانین المان‌هایی نظیر جرم، سرعت، وزن، نیروهای خارجی و شتاب. نیروی درگ  وجود دارند که بر شتاب گیری جسم تأثیر مستقیم دارند. شتاب طبق رابطه‌ی F=ma به دست می‌آید که در اینجا F از تفاضل بین نیروهای وزن و درگ به دست می‌آید.

با شتاب گرفـــــتن جسم، سرعت و نیروی درگ نیز افزایش می‌یابند؛ افزایش نیروی درگ تا زمانی ادامه می‌یابد که این نیرو با نیروی وزن جسم برابر شود که در این حالت شتاب جسم به صفر می‌رسد و جسم با سرعت ثابت به حرکت خود ادامه می‌دهد. این گزاره به این معناســت که هرچه خودرو سریع‌تر حرکت می‌کند، مقاومت هوا نیز بیشتر می‌شود که باعث محدودیت در شتاب‌گیری وسیله و رسیدن به ‌سرعت‌های خاص می‌شود.

چگونه تمام این المان‌ها در طراحی خودرو در نظر گرفـــــته می‌شوند؟ بگذارید ابتدا به تعریف یک عدد بسیار حیاتی به نام ضریب درگ بپردازیم. ضریب درگ درواقع یکی از فاکتورهای اصلی برای بررسی حرکت جسم در هوا اســت. ضریب درگ (Cd) طبق رابطه‌ی زیر محاسبه می‌شود:

(Cd=D/(A*0.5*rho*V^2

در این رابطه D نیروی درگ، A مساحت جسم،  rho چگالی هوا و V سرعت جسم اســت. اما این پرسش پیش می‌آید که طراحان خودرو چه ضریب درگی را در طراحی‌های آیرودینامیک خود در نظر می‌گیرند؟

 ضریب درگ

تا به اینجا آموختیم که ضریب درگ عــکسی از مقاومت هوای اندازه‌گیری شده در برابر یک جسم را به ما نشان می‌دهد؛ حال تصور کنید که چه مقدار نیرو در برابر خودرو در حین حرکت آن در جاده به وجود می‌آید؛ در سرعت ۱۰۰ کیلومتربرساعت، نیروی درگ وارد بر خودرو ۴ برابر نیروی وارد بر آن در سرعت ۵۰ کیلومتر بر ساعت اســت. ویژگی‌های آیرودینامیکی یک خودرو ابزارهایی برای رسیدن به ضریب درگ کمتر هستند. به هر میزان که ضریب درگ کمتر باشد، خودروی آیرودینامیک‌تر اســت و راحت‌تر می‌تواند از دیوار هوا عبور کند.

حال نگاهی به تعدادی از خودروها و ضریب درگ آن‌ها می‌پردازیم. خودروهای جعبه مانند ولوو در دهه‌ی ۷۰ تا ۸۰ میلادی را در نظر بگیرید؛ مدل سدان ۹۶۰ ولوو ضریب درگی معادل ۰.۳۶ داشته اســت. مدل‌های جدیدتر و امروزی ولوو که طراحی صیقلی و منحنی شکلی دارند مانند سدان S90 ضریب درگ ۰.۲۸ دارد. این اعداد حقیقتی را اثبات می‌کند؛ هرچه خودرو طراحی صیقلی‌تر و منحنی‌تری داشته باشد، آیرودینامیک‌تر از خودروهای جعبه مانند اولیه می‌شود؛ اما دلیل این اتفاق چیست؟

7db509c2 4474 4b77 afb2 7060e4ad0d9f هر آنچه باید در مورد سازوکار آیرودینامیکی خودروها بدانیم

ولوو S90 مدل ۲۰۱۷

برای درک این مسئله به آیرودینامیک‌ترین شی‌ء موجود در طبیعت یعنی قطره‌ی اشک، نگاهی می‌اندازیم. قطره‌ی اشک سطحی صاف و منحنی و مخروطی شکلی دارد و هوا به‌آرامی تا هنگامی‌که اشک به زمین می‌رسد، از کنار آن عبور می‌کند. در خودروها نیز این پدیده صادق اســت. به هر میزان که طراحی خودرو منحنی شکل و صاف باشد، جریان هوا آرام‌تر از کنار آن عبور می‌کند و مقاومت هوا کاهش می‌یابد.

امروزه اکثر خودروها ضریب درگی معادل ۰.۳ دارند. خودروهای اس‌یو‌وی (SUV) که به دلیل ویژگی‌هایی خاصی که دارند، ظاهری جعبه مانند دارند ضریب درگی بین ۰.۳ تا ۰.۴ یا بیشتر دارند. به‌عنوان‌مثال در تویوتا پریوس ، ظاهر منحصربه‌فرد آن به دلیل طراحی آیرودینامیکی خاص آن اســت. در کنار سایر فاکتورهای عملکردی، تویوتا پریوس ضریب درگ ۰.۲۶ دارد تا بتواند مسافت‌های بالایی را طی کند. درواقع به ازای هر ۰.۰۱ کاهش ضریب درگ حدود ۰.۰۹ کیلومتر به ازای مصرف هر لیتر سوخت به شعاع حرکتی پریوس افزوده می‌شود.

تاریخچه‌ی طراحی آیرودینامیک خودرو

باوجوداینکه دانشمندان کم‌وبیش از فاکتورهایی که باعث آیرودینامیک شدن طراحی‌ها می‌شد آگاه بودند، اما اجرا کردن این اصول روی طراحی خودروها مدت‌زمان زیادی به طول انجامید. در خودروهای اولیه تقریبا هیچ‌چیز آیرودینامیکی نبود. به‌عنوان‌مثال محصول اولیه‌ی فورد بانام مدل T با طراحی جعبه شکلی که داشت همانند یک کالسکه‌ی بدون اسب بود. بسیاری از این خودروهای اولیه‌ی نیاز چندانی به ابزارهای آیرودینامیکی نداشتند زیرا نسبتاً بسیار آهسته حرکت می‌کردند. با این‌ حال، خودروهای مسابقه‌ای در اوایل ســال ۱۹۰۰ میلادی، طراحی مخروطی شکل و ویژگی‌های اولیه‌ی آیرودینامیکی داشتند.

ceac78a6 d8ff 4c89 8d4b c9314a281bdf هر آنچه باید در مورد سازوکار آیرودینامیکی خودروها بدانیم

فورد مدل T، ساخت ۱۹۰۸

در ســال ۱۹۲۱، اِدموند رامپِلر، مخترع آلمانی، خودروی با طراحی مخروطی شکل بانام رامپلر-تروپ‌فِن آتو را تولید کرد. این خودرو که بر اساس آیرودینامیک‌ترین شکل در طبیعت طراحی‌شده اســت، ضریب درگ معادل ۰.۲۷ داشت؛ اما ظاهر منحصربه‌فرد مورد توجه عموم قرار نگرفـــــت و تنها ۱۰۰ دستگاه از این خودرو ساخته شد.

3181297c fda8 42d8 8125 8a7131697bd3 هر آنچه باید در مورد سازوکار آیرودینامیکی خودروها بدانیم

 رامپلر-تروپ‌فِن آتو

در آمریکا اما یکی از بزرگ‌ترین شرکت‌ها در طراحی آیرودینامیکی با طرح کرایسلر ایرفلو در ســال ۱۹۳۰ به میدان آمد. این طرح که با الهام از پرواز پرندگان طراحی‌شده بود، یکی از اولین خودروهای با طراحی اولیه‌ی آیرودینامیکی بود. علاوه بر این خودرو با تکنیک‌های خاص ساختمانی و توزیع وزن تقریبی ۵۰-۵۰ به بازار عرضه شد؛ اما همانند طرح آلمانی این خودرو به دلیل ظاهر غیرمتعارفی که داشت مورد اقبال عمومی قرار نگرفـــــت.

3e0149d9 afeb 4eac 8857 2614662b3ec2 هر آنچه باید در مورد سازوکار آیرودینامیکی خودروها بدانیم

کرایسلر ایرفلو

در دهه‌های ۵۰ تا ۶۰ میلادی، پیشرفـــــت‌ها در آیرودینامیک خودرو آغاز شد. مهندسان با آزمایش تجربی طراحی‌های مختلف پی بردند که اســتفاده از ابزارهایی مانند اسپویلرهای جلو و عقب، دماغه‌ی بیلچه‌ مانند و اســتفاده از کیت‌های مورداســتفاده در هواپیماها، می‌توانند به سرعت‌های بالاتر و پایداری بهتری در خودروهای مسابقه‌ای دست یا‌بند؛ اما این طرح‌ها با تولید جدید آئودی بانام Audi 100 در ســال ۱۹۸۰ میلادی وارد بازار خودروهای تجاری شد و امروزه به‌صورت گسترده از این ابزارهای در خودروها اســتفاده می‌شود.

اندازه‌گیری درگ با اســتفاده از تونل باد

برای اندازه‌گیری راندمان آیرودینامیکی یک خودرو در شرایط واقعی، مهندسان از ابزاری مشابه که در صنایع هواپیماسازی اســتفاده می‌شود، اســتفاده می‌کنند. این ابزار تونل باد نام دارد. تونل باد اساساً هندسه‌ی لوله‌شکل بزرگی دارد که یک فن باعث ایجاد جریان هوا در آن می‌شود؛ مهندسان با قرار دادن جسم موردنظر که در اینجا خودرو اســت در تونل باد به اندازه‌گیری مقاومت هوا می‌پردازند. هواپیما یا خودرویی که در تونل باد قرار دارد در جای خود ثابت اســت و باد با سرعت‌های مختلف برای شبیه‌سازی شرایط واقعی به‌وسیله‌ی فن تولید می‌شود. در پاره‌ای از موارد حتی از مدل واقعی خودرو برای انجام آزمایش‌های تونل باد اســتفاده نمی‌شود و از مدل با ابعاد واقعی این خودرو برای بررسی جریان هوا اســتفاده می‌شود؛ با عبور هوا بر روی خودرو کامپیوترها به‌اندازه گیری ضریب درگ می‌پردازند.

36f568f6 59e4 491c 9cb1 593b8d27e692 هر آنچه باید در مورد سازوکار آیرودینامیکی خودروها بدانیم

آزمایش تونل باد مرسدس‌بنز-برای آشکارسازی جریان هوا از دود اســتفاده می‌کنند

d1e9db09 116a 4d01 b9e6 a6d7d9c9dbeb هر آنچه باید در مورد سازوکار آیرودینامیکی خودروها بدانیم

آزمایش تونل باد پاگانی زوندا

افزونه‌های آیرودینامیکی

علاوه بر نیروی درگ در دانش آیرودینامیکی نیروهای دیگری نیز وجود دارند؛ نیروی لیفت (Lift) و دان‌فورس (Downforce) ازجمله این نیروها هستند. نیروی لیفت در جهت مخالف نیروی وزن و به سمت بالا به جسم اعمال می‌شود و نیروی دان‌فورس (نیروی عمود بر سطح) در جهت نیروی وزن وارد می‌شود و باعث چسبندگی بیشتر وسیله به سطح زمین می‌شود.

08461357 2416 4cbd 89c3 494704e4a0c6 هر آنچه باید در مورد سازوکار آیرودینامیکی خودروها بدانیم

ممکن اســت فکر کنید که خودروهای مسابقات فرمول ۱  به دلیل سرعت بسیار بالایی که دارند کمترین ضریب درگ را داشته باشند؛ اما درواقع یک خودروی فرمول ۱ معمولی ضریب درگی معادل ۰.۷ دارد؛ اما چگونه این خودروها می‌توانند با سرعتی بیشتر از ۳۰۰ کیلومتر بر ساعت حرکت کنند؟

این توانایی به دلیل وجود نیروی دان‌فورسی اســت که تولید می‌کنند؛ با توجه به سرعتی که این خودروها دارند و همچنین وزن بسیار پایین آن‌ها، در سرعت‌های خاصی نیروی لیفت به آن‌ها وارد می‌شود که می‌تواند آن‌ها را همانند هواپیما از زمین بلند کند؛ به این منظور نیروی دان‌فورس باید به بیشتر مقدار خود برسد تا خودرو در سرعت‌های بالا چسبندگی خود به جاده را حفظ کند و این امر تنها با افزایش ضریب درگ به مقدار لازم ممکن اســت. یک خودروی مدرن فرمول یک نیروی دان‌فورسی برابر با ۳.۵ برابر نیروی جاذبه‌ی زمین تولید می‌کند؛ این مقدار نیروی دان‌فورس این قابلیت را ایجاد می‌کند که خودرو به‌راحتی و به‌صورت وارونه بر روی سقف یک تونل حرکت کند.

در خودروهای فرمول یک، ۶۰ نسبت نیروی دان‌‌فورس لازم را از طریق اسپویلرهای نصب‌شده در جلو و عقب خودرو تأمین می‌شود. این باله‌ها با تغییر مسیر جریان هوا موجب تأمین نیروی لازم برای چسبندگی بیشتر خودرو به جاده و پشت سر گذاشتن پیچ‌ها با سرعت بالاتر، می‌شوند؛ اما در مسیرهای مستقیم باید تعادل نیرویی بین لیفت و دان‌فورس وجود داشته باشد تا خودرو بتواند به‌سرعت مطلوب دست یابد.

9b51ff9a 69f3 4dc8 a57d 1ac50d403f76 هر آنچه باید در مورد سازوکار آیرودینامیکی خودروها بدانیم

اسپویلر جلو

b3d2182e 85a4 4f6e a6c3 e9ab1ab86ea4 هر آنچه باید در مورد سازوکار آیرودینامیکی خودروها بدانیم

اسپویلر عقب

فناوری‌های اســتفاده‌شده در مسابقات فرمول یک، به‌تدریج به شرکت‌های تولیدکننده‌ی خودرو منتقل شد. اکثر خودروهای تولیدی امروزی از افزونه‌های آیرودینامیکی برای تولید دان‌فروس اســتفاده می‌کنند؛ به‌طور مثال در نیسان GT-R علیرغم انتقادهایی که از سوی منتقدان به طراحی این خودرو وارد شد، تمامی بدنه خودرو به نحوی طراحی‌شده بود تا کانال‌های هوایی عبوری از بدنه‌ را به سمت انتهای بیضی‌شکل خودرو و اسپویلر عقب آن هدایت کند تا نیروی دان‌فورس موردنیاز تأمین شود.

33b20377 ac67 42e2 a035 9c107e4abebf هر آنچه باید در مورد سازوکار آیرودینامیکی خودروها بدانیم

همچنین از فناوری که آن را بانام آیرودینامیک فعال می‌شناسند به‌طور گسترده در خودروهای اسپرت و سوپر اسپرت اســتفاده می‌شود. در ادامه به نمونه‌هایی از این فناوری‌ها نگاهی می‌اندازیم.

شرکت BMW

شرکت بی ام و در طی برنامه‌ی بهبود عملکرد خودروهای خود به‌طور گسترده از قابلیت‌های آیرودینامیکی اســتفاده کرده اســت که به تعدادی از آن‌ها اشاره می‌کنیم.

اسپویلر عقب هوشمند

در سرعت ۱۱۰ کیلومتر بر ساعت، اسپویلر عقب به‌صورت هوشمند بالا می‌آید و باعث کاهش نیروی درگ و لیفت و بهبود فرمان پذیری خودرو در جاده می‌شود. در سرعت ۷۰ کیلومتر بر ساعت، این اسپویلر به‌صورت خودکار جمع می‌شود.

a94573dc 81f7 4782 891a 66ea477202ea هر آنچه باید در مورد سازوکار آیرودینامیکی خودروها بدانیم

ایر بریزِر

513c18ff 07e9 41f5 ab4c c223c86c4ed6 هر آنچه باید در مورد سازوکار آیرودینامیکی خودروها بدانیم

‌با اســتفاده‌ از ایر بریزر که درواقع کانال خروجی هوا در چرخ‌های جلو اســت، با افزایش شتاب و سرعت خودرو مقاومت هوا تغییر چندانی نمی‌کند زیرا این کانال خروجی باعث کاهش جریان آشفته‌ی هوا و همچنین خروج جریان چرخشی هوا در گلگیر و زیر گلگیر خودرو می‌شود.

ایر کارتِین

هنگامی‌که شما خودروی خود را کنترل می‌کنید، ایر کارتین با کاهش مقاومت هوا با راه‌حلی ساده اما کاربردی، جریان هوا را برای شما کنترل می‌کند. ایر کارتین یک کانال باریک هوایی اســت که با سرعت دادن به جریان هوا و هدایت آن برای عبور از چرخ‌ها باعث کاهش جریان آشفته‌ (Turbulence) در گلگیر و زیر گلگیر خودرو و کاهش نیروی درگ وارد بر بدنه و همچنین کاهش مصرف سوخت و انتشار گاز کربن دی‌اکسید می‌شود.

9ec66394 26ac 4867 a68b 3f7273aee0e3 هر آنچه باید در مورد سازوکار آیرودینامیکی خودروها بدانیم

ورودی‌های هوای هوشمند در جلوپنجره‌ها

ad1711ca 34c1 4a3c b4d6 1feb3e2d3127 هر آنچه باید در مورد سازوکار آیرودینامیکی خودروها بدانیم

دریچه‌های تعبیه‌شده در جلوپنجره در حالتی که نیازی به ورود هوا نیست بسته هستند و سیستم در هنگامی‌که پیشران، ترمزها و سایر قطعات خودرو به هوا نیاز دارند، دریچه‌های را باز می‌کند. این عمل موجب افزایش عملکرد آیرودینامیکی خودرو و کاهش مصرف سوخت آن می‌شود.

رینگ‌های آیرودینامیکی

‌طراحی رینگ‌های آیرودینامیکی که از پره‌های توربین موتورهای هوایی الهام گرفـــــته‌شده اســت با بهبود جریان عبوری از کنار چرخ‌ها، باعث بهبود عملکرد آیرودینامیکی خودرو می‌شود.

b4ddb6cc 5ef3 43d0 acd8 971390d880c7 هر آنچه باید در مورد سازوکار آیرودینامیکی خودروها بدانیم

 شرکت Bugati

ابر خودروی بوگاتی شیرون باقدرت ۱۵۰۰ اسب بخاری و سرعت بسیار بالایی که دارد به‌شدت نیازمند سیستمی برای خنک کاری موتور و بهبود هندلینگ آن در سرعت‌های بالا اســت؛ لذا با طریقه‌هایی که در ادامه می‌بینید این نیاز خود را برطرف کرده‌اند.

3dc25e34 1394 43d4 8422 86a689237950 هر آنچه باید در مورد سازوکار آیرودینامیکی خودروها بدانیم

جریان هوای عبوری از قسمت جلویی بوگاتی شیرون

e5305cf1 50db 4fb4 a2f6 8b1f77272176 هر آنچه باید در مورد سازوکار آیرودینامیکی خودروها بدانیم

جریان هوای عبوری از قسمت انتهایی بوگاتی شیرون

شرکت Porsche

این شرکت نیز در پورشه ۹۱۸ از آیرودینامیک فعال به فراوانی اســتفاده کرده اســت که ازجمله‌ی آن می‌توان به کنترل دریچه‌های ورودی جلو، اسپویلر عقب و صفحه‌های متحرک در زیر خودرو اشاره کرد.

44d20110 1f7c 40bd a4e8 e595fa2457d7 هر آنچه باید در مورد سازوکار آیرودینامیکی خودروها بدانیم

مطالب بیان شده تنها بخشی از اقدامات انجام شده در دنیای خودرو اســت. با نگاهی به اطراف، تاثیرات دانش آیرودینامیک بر تمامی بخش‌های زندگی را می‌توانیم مشاهده کنیم.

جدیدترین و داغترین مطالب دنیای جالب تکنولوؤی ها در سایت توما
مطالب گوناگون از از اخبار دنیای وب و تکنولوژی

نوشته هر آنچه باید در مورد سازوکار آیرودینامیکی خودروها بدانیم اولین بار در مجله آنلاین میهنی ها. پدیدار شد.